1 引言
由于計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)等在自控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,抗干擾技術(shù)就更顯得尤為重要。實際生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境極其復(fù)雜,對自控系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾已經(jīng)成為不可能回避的問題。作為控制系統(tǒng)重要組成部分的現(xiàn)場總線,處在復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中,不可避免地存在各種各樣的干擾,因此,提高現(xiàn)場總線的抗干擾能力,是控制系統(tǒng)高效運行的重要因素。
隨著根據(jù)國際電工委員會IEC1158定義,安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。當(dāng)今全球最流行的現(xiàn)場總線有FF總線(Fieldbus Foundation)、Profibus、Modbus等。不管哪一種現(xiàn)場總線,在介質(zhì)上傳輸?shù)亩际菙?shù)字信號,由于干擾噪音的原因,使得“1”變成了“0”,“0”變成了“1”,從而影響到現(xiàn)場總線的性能,甚至于現(xiàn)場總線不能正常工作。不管從理論分析,還是從經(jīng)驗獲得,現(xiàn)場總線的抗干擾能力均低于4-20mA模擬電流信號,研究并解決現(xiàn)場總線的抗干擾問題非常重要。
2 現(xiàn)場存在的干擾源
(1) 傳動系統(tǒng)
是現(xiàn)場最大的干擾源。傳動系統(tǒng)的總負(fù)荷,約占水處理車間總負(fù)荷的1/3以上,在系統(tǒng)的整流和逆變中,大功率電力電子元器件不定時的進(jìn)行高速開和關(guān)的轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生大量的高頻電磁波,污染整個車間,并且產(chǎn)生大量高次諧波,污染工頻電網(wǎng)。
(2) 變壓器、MCC柜、電力電纜和動力設(shè)備
這些設(shè)備均為工頻,頻率較低,干擾一般發(fā)生在近場,而近場中隨著干擾源的特性不同,電場分量和磁場分量有著很大差別。特別是動力設(shè)備啟動時,瞬間電流能夠達(dá)到額定電流的6-11倍,會產(chǎn)生大電流沖擊的暫態(tài)干擾。
(3) 來自工頻電源的干擾
工頻電源波形畸變和高次諧波,若未加隔離或濾波,便會通過供電系統(tǒng)而進(jìn)入控制系統(tǒng),從而影響整個現(xiàn)場總線。
(4) 導(dǎo)線接觸不良產(chǎn)生的火花、電弧等;
(5) 三相供電不平衡產(chǎn)生的地電流、屏蔽層不共地產(chǎn)生的接地環(huán)流。
2.2 干擾的傳播途徑
(1) 由導(dǎo)線來傳輸,稱為傳導(dǎo)干擾。說處理車間的現(xiàn)場總線中,主要表現(xiàn)為地線阻抗干擾和來自工頻電源的干擾。
(2) 通過空間以輻射的形式來傳輸,稱為輻射干擾。
3 現(xiàn)場總線的抗干擾措施
3.1 抗遠(yuǎn)離干擾源
空間中任一點的磁感應(yīng)強度B,服從畢奧-薩伐定律,見下式:
式中:
μ:磁導(dǎo)率,H/m;
dv:源點周圍處的體積元,m3;
r:dv到場點(x,y,z)的距離,m;
er:源點指向場點的單位矢量。
對于線形電流I,由Jdv=Idl,得:
式中:
dl—源點附近的長度,m
式(1)適用于用電設(shè)備周圍的磁感應(yīng)強度,式(2)適用于動力電纜周圍的磁感應(yīng)強度??梢姡幚碥囬g的動力設(shè)備和電力電纜對現(xiàn)場總線的干擾,與距離的平方成反比,即隨距離的增大,干擾衰減非常快。所以,現(xiàn)場總線設(shè)備遠(yuǎn)離用電設(shè)備,現(xiàn)場總線電纜與動力電纜分層橋架布置,都能起到很好的防干擾作用。遠(yuǎn)離干擾源,是防止輻射干擾的重要措施。
3.2 現(xiàn)場總線設(shè)備和電纜的屏蔽
隨著現(xiàn)場總線屏蔽的機理,一是外來電磁波在金屬表面產(chǎn)生渦流,從而抵消原來的磁場;二是電磁波在金屬表面產(chǎn)生反射損耗,另一部分透射波在金屬屏蔽層內(nèi)傳播過程中,衰減產(chǎn)生吸收損耗?,F(xiàn)場總線的屏蔽是利用由導(dǎo)電材料制成的屏蔽并結(jié)合接地,來切斷干擾源。
3.3 采用UPS電源或隔離變壓器
采用UPS電源或隔離變壓器可防止來自工頻電源的干擾。
3.4 采用光纜傳輸信號
隨著在現(xiàn)場總線傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、干擾大的情況下,盡可能地采用光纜。采用光纜后,能夠解決輻射干擾和傳導(dǎo)干擾的眾多問題。若在不共地兩點之間,或者在接地狀況很不好的情況下,采用光纜傳輸現(xiàn)場總線信號,可有效防止接地環(huán)流等干擾。特別是車間的自動控制系統(tǒng)與電機傳動、MCC之間,容易存在接地電位差,或接地環(huán)流,要特別注意,選用光纜優(yōu)于選用雙絞線。